Датчик движения для включения света: что это такое, как выбрать и подключить

Описание действия датчиков движения для включения света

Системы автоматического управления внутренним и/или наружным освещением является конкретным решением множества комплексных и актуальных проблем. Например, наименьшее потребление электрической энергии, значительное уменьшение затраты электрического заряда аккумуляторов автономных детекторов присутствия, снижения времени работы осветительного оборудования, тем самым, продлевая их срок эксплуатации и многие другие немаловажные задачи.

Сенсорное оборудование непосредственно монтируется в общую систему освещения, и при возникновении объекта, который перемещается, регистратор движения подает сигнал на осветительное оборудование. Выключение света происходит через некоторое время, в большинстве моделей оно настраивается после того, как перемещение полностью прекратилось. Исходя из обширного диапазона характеристик оборудования можно с легкостью подобрать необходимый регистратор присутствия, который будет соответствовать всем требованиям и желаниям покупателя.

Работа датчика и его особенности

Приборы, которые дают возможность автоматического управления освещением всегда будут востребованы. Как дополнение к этой системе включения/выключения света в помещении устанавливаются и датчики присутствия. Они внедряются в цепь управления осветительным прибором и отслеживают обстановку в помещении.

Если в зоне действия прибора был замечен объект, который перемещается по комнате, автоматически подается сигнал и в комнате включается свет. Если человек остановился — свет в комнате погаснет. Так работают обычные датчики движения.

Немного по-другому работают датчики присутствия.

В их конструкции есть сенсор, работа которого основана на эффекте Доплера. Принцип действия заключается в постоянном отслеживании длины и частоты волны. На все эти изменения реагирует сенсор, который и направляет сигнал управления на устройство управляющее включением света

Но что более важно, на работу датчика, не влияет, есть ли дальнейшее передвижение объекта в комнате или нет.  Отслеживается степень инфракрасного излучения в зоне его действия. Но срабатывает прибор не сразу

Если накапливается от 2-х до 4-х импульсов и только тогда формируется команда на управление.

Естественно, когда в комнате находится человек, пироэлектрический детектор улавливает изменение температурного фона и подает сигнал на включение света.

Если такого сигнала нет, прибор переводится в спящий режим — свет в комнате отключается автоматически.

Аналоговая часть датчика движения

Электрическая схема аналоговой части датчика движения показана на рисунке 3. Первые два каскада представляют собой активный полосовой фильтр, совмещающий в себе функции усиления и фильтрации сигнала, третий каскад является двухпороговым компаратором. Элементы R10 и С5 выполняют функцию фильтра нижних частот для стабилизации напряжения питания детектора движения. Резистор R5 задает ток смещения выходного полевого транзистора ИК-детектора движения. Для снижения тока, потребляемого детектором, номинал R5 выбран больше рекомендуемого значения, при этом из-за уменьшения тока питания детектора происходит снижение его чувствительности и повышение уровня выходного шума, что, однако, является разумным компромиссом для увеличения срока службы батареи. Отчасти потеря чувствительности детектора может быть скомпенсирована увеличением коэффициента усиления и числа каскадов активного фильтра. В связи с более высоким коэффициентом усиления в каскадах фильтра и более высоким уровнем шума на выходе детектора необходимо тщательно оптимизировать расположение высокочастотного полюса фильтра и пороги компаратора, чтобы избежать ложных срабатываний.

Рис. 3. Электрическая схема аналоговой части ИК-датчика движения

Критерии выбора инфракрасного датчика движения

Все устройства, которые есть на рынке, весьма похожи друг на друга, однако и у них есть достаточно отличий, которые будут серьёзно влиять на практику их применения в системе «умный дом».

Питание

Все датчики делятся на проводные и беспроводные. Первые получают питание по кабелю, вторым для питания нужен аккумулятор или даже обычная батарейка, которой тоже хватает надолго в силу малого энергопотребления.

На заметку. В бытовых беспроводных датчиках для системы «умный дом» чаще всего применяется литиевая батарея CR2032. Её хватает в среднем на полтора-два года.

У каждого вида есть свои преимущества: проводные устройства действуют от постоянной электросети, зато беспроводные легче размещать – не нужно прокладывать слаботочный кабель.

Передача данных

Здесь всё снова упирается в провода. Датчики могут соединяться со шлюзом напрямую, через систему кабелей, скрытых за натяжными потолками, плинтусами или в штробах. Беспроводные устройства соединяются с хабом по Wi-Fi или Bluetooth. Например, в системе Aqara используется специальный протокол Zigbee.

Угол обзора

Обычно он зависит от местоположения датчика. Устройства, которые крепятся на стену, охватывают обычно 150 – 180°. Если говорить о потолочном датчике, то он имеет круговой обзор и регистрирует любое движение в комнате в радиусе действия.

Радиус действия

То есть дальность действия устройства. У бытовых инфракрасных датчиков она редко превышает 7 – 9 метров. Впрочем, больше обычно и не нужно. Для установки на улице стоит выбрать более мощные и чувствительные модели с дальностью действия до 15 м.

Особенности размещения

Чаще всего датчики располагают либо на стенах (или любых других вертикальных поверхностях), либо на потолке. Первые модели имеют полусферу линзы в передней части, вторые – снизу. Иногда датчики размещают в углу, чтобы добиться оптимального охвата.

Некоторые модели поставляются с ножкой в комплекте. Данная конфигурация делает возможным оба варианта размещения.

Оснащение фотоэлементом

Благодаря дополнительному фото-датчику прибор распознаёт степень освещённости и не включает свет днём, когда это не требуется.

Область применения

Использовать ИК-датчик, установив его своими руками, можно для подключения самых разнообразных приборов. Наиболее часто они применяются для подключения разнообразных осветительных приборов. Также их можно использовать для подключения различных элементов охранной системы. К примеру, к ИК-извещателю можно подключить звуковую сигнализацию. Для подключения допускается даже одновременное подсоединение нескольких приборов для включения звуковой сигнализации и света.

Охранная система

В результате того, что инфракрасные устройства для отслеживания движения в контролируемой зоне имеют доступную цену и простую установку, их монтаж может проводиться своими руками. Такие изделия на сегодняшний день широко используются в следующих областях:

Автоматическая подсветка улиц

• создание системы «умный дом» в домашних условиях и своими руками;
• автоматизация подсветки в помещениях общественного назначения: офисы, коридоры, лестничные проемы и т.д.;

• подсветка улиц, парков, дорог и жилмассивов;
• освещение промышленных и производственных объектов.

Стоит отметить, что в данной ситуации не существует принципиальных различий в том, где будет функционировать инфракрасный датчик, реагирующий на движение.

Вопрос-ответ

Будет ли датчик реагировать на домашних животных?

На мелких – нет, а на крупных, свыше 20 кг – да. Чтобы этого не происходило, стоит уменьшить чувствительность.

Чем датчик движения отличается от датчика присутствия?

Датчиков присутствия как таковых нет – это просто маркетинговое название чувствительных инфракрасных устройств. Они считывают даже малейшее движение, создавая иллюзия распознания присутствия.

Как сделать, чтобы свет после включения от датчика долго не горел, например, на лестнице?

Для этого необходимо выставить меньшую задержку – к примеру, полминуты – этого вполне хватит, чтобы подняться.

Технические характеристики устройств

В технических характеристиках беспроводных моделей есть еще частота, на которой они работают и тип элементов питания

Технические характеристики указываются в технической документации (в паспорте), которая сопровождает любое техническое изделие, иначе вряд ли удастся подобрать необходимый прибор.

Угол обзора

Существуют изделия с различным углом обзора, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Если необходимо защитить объект с различных сторон, то применяются датчики с углом обзора вплоть до 360 градусов. В случае крепления датчика на стене, достаточно устройства с углом обзора в 180 градусов. Если предполагается установить датчик на столбе, то лучше отдать предпочтение углу обзора в 360 градусов. В данном случае, все зависит от того, какую площадь и какой объект или группу объектов планируется защитить. При установке в квартире, для защиты отдельных комнат, выбирают датчики с меньшим углом обзора, порядка 90 градусов.

В зависимости от места установки и требуемой зоны обнаружения выбирают радиус обзора

При наличии в комнату одного входа, достаточно установки датчика с узким углом обзора, в противном случае приходится устанавливать несколько датчиков с узким углом обзора или один датчик с широким углом обзора. При этом следует помнить, что подобные датчики стоят недешево, поэтому всегда нужно ориентироваться на экономическую целесообразность.

Существует и такое понятие, как угол обзора по вертикали. В простых, недорогих моделях этот показатель составляет не больше 20 градусов. У более дорогих моделей этот показатель значительно выше и может составлять все 180 градусов. Подобные устройства применяются в охранных системах, где подобные затраты оправданы. В системах освещения достаточно самого простого и дешевого устройства. Главное, чтобы датчик был установлен на нужной высоте и включал освещение при определенных условиях.

Радиус действия

Дальность действия следует подбирать с запасом

Выбор датчика движения по дальности действия зависит от того, где он будет установлен: на улице или в помещении. Для помещений достаточно устройств с радиусом действия порядка 5-7 метров. В случае установки датчика во дворе или в другом месте, необходимо учитывать некоторые факторы, иначе возможны ложные срабатывания. Датчики с большим радиусом действия могут срабатывать при движении людей по улице, при появлении соседа в своем дворе и т. д. Поэтому в таких случаях лучше останавливать свой выбор на устройствах с минимальным радиусом действия.

Мощность подключаемых источников освещения

Мощность датчика следует расчитывать с запасом

Каждый датчик рассчитан на определенную мощность нагрузки, которую он может включать/выключать без аварийных режимов. В противном случае устройство просто выйдет из строя, так как не выдержат элементы управления.

В последнее время этот показатель не имеет столь критического значения, поскольку люди переходят на более экономные лампы, вроде энергосберегающих или диодных.

Способ крепления и выбор места установки

Чаще всего датчики крепят на стену

Датчики движения могут отличаться еще и способом крепления. Поэтому существуют:

• Корпусные изделия, в виде небольшой коробочки с кронштейном. Такие модели крепятся:
• На потолке.
• На стене.
• Встраиваемые модели, предназначенные для скрытой установки.

Такие модели отличаются тем, что имеют небольшие размеры, что позволяет их установить незаметно для окружающих.

Если необходимо просто включать/отключать освещение в нужном месте, то можно обойтись более дешевыми корпусными устройствами. Встраиваемые датчики в миниатюрном исполнении больше подойдут для охранных систем, тем более что они еще и дорогие.

Дополнительные возможности

Некоторые модели, в зависимости от назначения и условий эксплуатации, имеют дополнительные функции. К таким функциям следует отнести:

• Порог чувствительности. Он реализован с помощью датчика освещенности, в виде фотореле. Особенно полезен этот датчик при установке устройства на улице. Эта функция необходима для того, чтобы устройство включало освещение только в темное время суток.
• Защита от животных. Естественно, что в каждом частном дворе имеются коты и собаки. Функция необходима для того, чтобы уменьшить количество ложных срабатываний при движении животных. Если во дворе большая собака, то эта функция может и не действовать.
• Задержка отключения. Устройства бывают разные, как с задержкой, так и без нее. В большинстве случаев эта функция регулируется. Достаточно неудобно, если человек часто перемещается в зоне действия датчика, при этом он также часто ее покидает, и датчик движения также часто включает и выключает освещение.

Область применения

Наиболее распространенные ситуации, при которых использование ДД будет полезным:

• регулировка процессов запуска фонтана;
• управление функцией подсветки плавательного бассейна, искусственных водоемов;
• регулировка процесса деятельности световых приборов при входе в помещения;
• охранные объекты;

Все категории этих приборов можно использовать в работе совместно с таймерами и сенсорными устройствами, которые осуществляют слежение и управление периодичностью осветительных приборов. Подобные конфигурации датчиков называют сумрачными выключателями. Они запускают работу самих датчиков только в темное время суток.

Принцип работы пироэлектрических (PIR) датчиков движения

PIR датчики не такие простые как может показаться на первый взгляд. Основная причина — большое количество переменных, которые влияют на его входной и выходной сигналы. Чтобы объяснить основы работы ПИР датчиков, мы используем рисунок, приведенный ниже.

Пироэлектрический датчик движения состоит из двух основных частей. Каждая из частей включает в себя специальный материал, чувствительный к инфракрасному излучению. В данном случае линзы особо не влияют на работу датчика, так что мы видим два участка чувствительности всего модуля. Когда датчик находится в состоянии покоя, оба сенсора определяют одинаковое количество излучения. Например, это может быть излучение помещения или окружающей среды на улице. Когда теплокровный объект (человек или животное), проходит мимо, он пересекает зону чувствительности первого сенсора, в результате чего на модуле ПИР датчика генерируются два различных значения излучения. Когда человек покидает зону чувствительности первого сенсора, значения выравниваются. Именно изменения в показаниях двух датчиков регистрируются и генерируют импульсы HIGH или LOW на выходе.

Конструкция PIR датчика

Чувствительные элементы ПИР датчика устанавливается в металлический герметический корпус, который защищает от внешних шумов, перепадов температур и влажности. Прямоугольник в центре сделан из материала, который пропускает инфракрасное излучение (обычно это материал на основе силикона). За этой пластиной устанавливаются два чувствительных элемента.

Рисунок из даташита Murata:

Рисунок из даташита RE200B:

На рисунке из даташита RE200B видно два чувствительных элемента:

На рисунке выше приведена внутренняя схема подключения.

Линзы

Инфракрасные датчики движения практически одинаковые по своей структуре. Основные отличия — чувствительность, которая зависит от качестве чувствительных элементов. При этом значительную роль играет оптика.

На рисунке выше приведен пример линзы из пластика. Это значит, что диапазон чувствительности датчика представляет из себя два прямоугольника. Но, как правило, нам нужно обеспечить большие углы обзора. Для этого можно использовать линзы, подобные тем, которые используются в фотоаппаратах. При этом линза для датчика движения должна быть маленькая, тонкая и изготавливаться из пластика, хотя он и добавляет шумы в измерения. Поэтому в большинстве PIR датчиков используются линзы Френеля (рисунок из Sensors Magazine):

Линзы Френеля концентрируют излучение, значительно расширяя диапазон чувствительности пиродатчиков (рисунок с BHlens.com)

Рисунок из Cypress appnote 2105:

Теперь у нас есть значительно больший диапазон чувствительности. При этом мы помним, что у нас два чувствительных элемента и нам нужны не столько два больших прямоугольника, сколько большое количество маленьких зон чувствительности. Для этого линза разделяется на несколько секций, каждая из которых представляет из себя отдельную линзу Френеля.

На рисунке ниже можно увидеть отдельные секции — линзы Френеля:

На этом макроснимке обратите внимание, что фактура отдельных линз отличается:

Возможные варианты подключения датчика

Благодаря новым технологиям, в настоящее время можно подобрать проводные и беспроводные датчики в большом ассортименте. Первые работают напрямую через соединение датчика с пультом управления, для вторых потребуется промежуточное реле, которые поможет вывести информацию, полученную через датчик, на модуль GSM. Среди популярных в Москве и других городах России,  можно отметить следующие марки:

• Кситал;
• Страж;
• Falcon Eye;
• Osram;
• Schneider Electric;
• Sen;
• Ultralight;
• Theben;
• Visonic и другие.

Если изначально, проводные модели могли предоставить больший функционал и считались лучшим вариантом для установки, то теперь производители позаботились об огромном выборе микропроцессоров, дополнительных модулей и встроенных контроллеров. В качестве дополнительных параметров стали эффективно использоваться условия защиты от животных и маленьких детей, визуальная маскировка. Доступ к современным датчикам осуществляется сразу через несколько каналов оповещения, может быть использован принцип эхолокации, когда устройства защищены с помощью волнового отражения, расширена территория влияния от 1.5 м до 25 м. Подобные возможности системы делают территорию неприступной для злоумышленников и комфортной для хозяев.

Основные типы датчиков движения

Классификацией предусмотрено различие датчиков по типу применяемой в их работе длины волны. Датчики делят на:

Инфракрасные (ИК)

Чаще всего на рынке можно встретить именно эти датчики. Еще их называют пассивный инфракрасный детектор. Они не обнаруживают людей, объем, воздух и любые предметы, попадающие в поле зрения. Алгоритмы инфракрасного датчика позволяют осуществлять распознавание температуры тела, попадающего в поле его зрения. Инфракрасное излучение фокусируется на датчике особой оптической линзой, называемой линзой Френеля. Она концентрирует излучение на чувствительном полупроводниковом элементе. Температура определяемого тела должна быть выше, чем температура окружающей обстановки. Различие температур тела, попавшего в поле зрения датчика, и внешней среды способствует отклонению электрического потенциала от номинальных значений и обрабатывается чипом, установленным внутри датчика, по заранее настроенному алгоритму и инициирует запуск тревоги.

Чем больше линза в конкретно рассматриваемом устройстве, тем больше чувствительность датчика, а также шире зона его охвата. Чтобы датчик не реагировал на теплые, но статические объекты, оптическую систему делят на несколько отдельных лучей — зоны чувствительности датчика. Фиксация движения произойдет только в том случае, если подвижный объект будет пересекать последовательно более одной зоны. Передвижение с малой скоростью не всегда фиксируется датчиком.

Радиоволновые

Радиоволновой датчик движения функционирует по схожему алгоритму с ультразвуковым датчиком. Вместо звуковой частоты чип создает сверхвысокочастотное излучение, частота которого равна 2,5 ГГц. При появлении на участке распространения волны подвижного тела происходит изменение частоты и длинны волны, которое фиксируется приемником.

При этом прохождение радиоволн происходит без затруднений через не металлические конструкции. Им не мешают стены и мебель. Данный тип датчиков достаточно дорог. Их применяют для наблюдения за коммерческими крупными объектами.

Ультразвуковые (СВЧ)

В основе работы датчика движения ультразвукового типа лежит принцип звуковой локации. В них установлен специальный звуковой генератор, создающий колебания, частота которых равна от 20 до 40 Кгц. Такие звуки человек на слух не воспринимает, но, все звуковые волны, излученные источником, частично отражаются от поверхностей (часть поглощается) и возвращаются к источнику их излучения. В корпусе ультразвуковых датчиков установлен излучатель таких колебаний и микрофон, принимающий звуковой сигнал, отраженный от поверхностей. Излучатели приемника состоят из элементов пьезокерамики.

Согласно эффекту Доплера любой объект, попадающий в зону распространения потока распространения звуковых волн, искажает интерференционную картину. Когда происходит такой эффект частота отраженного от поверхности сигнала будет другой относительно излучаемой частоты — это и вызывает сработку датчика.

Комбинированные

Достаточно дорогие. Применяются во избежание ложных тревог. В один корпус производители устанавливают ИК и радиоволновой датчик. Такое решение ценится за высокую помехоустойчивость и надежность. При таком решении достигается минимальное количество ложных срабатываний.

Детекторы движения встроенные в камеры наблюдения (программные)

Датчик движения, установленный в камерах видеонаблюдения, никогда не заменит полноценную работу классических датчиков движения. Обнаружение движения происходит камерой на программном уровне. Видеокамера анализирует поток входящей информации, например, каждый пятый кадр и сопоставляет их. При резком изменении картинки камера понимает, что произошло движение. Такая реализация имеет место на существование, но даст больше ложных срабатываний, так как фиксацию движения камера может поймать даже при резком снижении уровня освещенности (выключение света). Настройки в камере поддаются корректировке, но это лишь частично исправляет ситуацию. Существует возможность выделения зон кадра, поиск движения в которых фиксироваться не будет. Это помогает лишь при попадании подвижного объекта в поле зрения кадра.

Схемы подключения датчика

Микроволновые устройства подключаются по проводной или беспроводной схеме. Первый вариант актуален, если монтаж выполняется на этапе проведения ремонтных работ, когда есть возможность выполнения скрытой прокладки кабелей без нарушения внутренней отделки.

Беспроводные устройства привлекают простым и быстрым монтажом. Они энергонезависимы, работают от аккумулятора, из-за отсутствия необходимости в подключении к электросети появляется больше вариантов размещения оборудования. Важным аргументом в пользу такого выбора может стать тот факт, что датчик может быть установлен в рамках реализации проекта по наращиванию действующей системы безопасности.

Технические характеристики

После того, как определились с тем, какой датчик движения для включения света вы будете ставить, надо подобрать его технические характеристики.

В технических характеристиках беспроводных моделей есть еще частота, на которой они работают и тип элементов питания

Угол обзора

Датчик движения для включения света может обладать различным углом обзора в горизонтальной плоскости — от 90° до 360°. Если к объекту могут подходить с любого направления, ставят датчики с радиусом 180-360° — в зависимости от его расположения. Если устройство закреплено на стене, достаточно 180°, если на столбе — уже нужно 360°. В помещениях можно использовать те, которые отслеживают движение в узком секторе.

В зависимости от места установки и требуемой зоны обнаружения выбирают радиус обзора

Если дверь одна (подсобное помещение, например), может быть достаточно узкополосного датчика. Если в помещение входить могут с двух-трех сторон, модель должна уметь видеть, как минимум, на 180°, а лучше — во все стороны. Чем шире»охват», тем лучше, но стоимость широкоугольных моделей значительно выше, так что стоит исходить из принципа разумной достаточности.

Есть также угол обзора по вертикали. В обычных недорогих моделях он составляет 15-20°, но есть модели, которые могут охватывать до 180°. Широкоугольные детекторы движения обычно ставят в охранных системах, а не в системах освещения, так как стоимость их солидная. В связи с этим, стоит правильно подбирать высоту установки прибора: чтобы «мертвая зона», в которой детектор просто ничего не видит, была не в том месте, где движение наиболее интенсивное.

Дальность действия

Тут снова-таки, стоит выбирать с учетом того, в помещении будет устанавливаться датчик движения для включения света или на улице. Для помещений радиуса действия в 5-7 метров хватит с головой.

Дальность действия выбирайте с запасом

Для улицы желательна установка более «дальнобойных». Но тут тоже смотрите: при большом радиусе охвата ложные срабатывания могут быть очень частыми. Так что слишком большая зона покрытия может быть даже недостатком.

Мощность подключаемых светильников

Каждый датчик движения для включения света рассчитан на подключение определенной нагрузки — он может пропускать через себя ток определенного номинала. Потому, при выборе, надо знать, суммарную мощность ламп, которые устройство будет подключать.

Мощность подключаемых светильников критична, если включаться будет группа фонарей или один мощный

Чтобы не переплачивать за повышенную пропускную способность датчика движения, да еще и сэкономить на счетах за электричество, используйте не лампы накаливания, а более экономичные — газоразрядные, люминесцентные или светодиодные.

Способ и место установки

Кроме явного деления на уличные и «домашние» есть еще один тип деления по месту установки датчиков движения:

• Корпусные модели. Небольшая коробочка, которая может монтироваться на кронштейне. Кронштейн закрепляться может:
  • на потолке;

  • на стене.

• Встраиваемые модели для скрытой установки. Миниатюрные модели, которые могут устанавливаться в специальные углубления в незаметном месте.

Если освещение включается только для повышения комфорта, выбирают корпусные модели, так как при равных характеристиках они дешевле. Встраиваемые ставят в охранных системах. Они миниатюрные, но более дорогие.

Дополнительные функции

Некоторые детекторы движения имеют дополнительные возможности. Некоторые из них явное излишество, другие, в определенных ситуациях, могут быть полезны.

• Встроенный датчик освещенности. Если датчик движения для включения света установлен на улице или в помещении с окном, включать свет в светлое время суток нет необходимости — освещенность достаточная. В этом случае либо в цепь встраивают фотореле, либо используют детектор движения со встроенным фотореле (в одном корпусе).

• Защита от животных. Полезная функция, если есть коты, собаки. С такой функцией ложных срабатываний намного меньше. Если собака большого размера, даже эта опция не спасет. Зато с кошками и мелкими собаками она работает неплохо.

• Задержка отключения света. Есть устройства, которые выключают свет сразу после того как объект покидает из зону действия. В большинстве случаев это неудобно: свет еще нужен. Потому удобны модели с задержкой, а еще удобнее те, которые позволяют эту задержку регулировать.

Это все функции, которые могут быть полезны

Особенно обратите внимание на защиту от животных и задержку отключения. Это действительно полезные опции